通用固定帶式輸送機功率計算及其系統時序控制的研究

王純高, 杜小花

(中國葛洲壩集團第六工程有限公司, 云南昆明 650000)

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通用固定帶式輸送機功率計算及其系統時序控制的研究

王純高, 杜小花

(中國葛洲壩集團第六工程有限公司, 云南昆明 650000)

【摘要】功率計算及時序控制是帶式輸送機系統設計計算的兩個基本內容。通過對通用固定帶式輸送機功率計算及其系統時序控制的闡述，介紹研究對象重要因素的計算方法和控制技術，以達到提高計算的準確性和實現功能的最優化，起到了事半功倍的效果。

【關鍵詞】帶式輸送機；阻力；效率；功率；時序控制；順序啟動；逆序停止

現代工業生產中，有許多場合需要帶式輸送機，帶式輸送機在連續運輸機中占有很重的比例，它具有運行可靠、輸送量大、輸送距離長、維護簡便等優點，被廣泛應用于礦山、港口、化工、紡織、 印染、 造紙、冶金煤炭、機械電力、輕工、建材、糧食及交通運輸等工業領域，是不可缺少的運輸工具。

通用固定帶式輸送機由6個主要部件組成：傳動裝置、機尾和導回裝置、中部機架、拉緊裝置以及膠帶。輸送機的設計計算主要部件包括輸送帶、驅動裝置、托輥、滾筒、拉緊裝置、逆止器與制動器、帶式輸送機的輔助設備、帶式輸送機的機電保護裝置等。目前，膠帶輸送機正朝著長距離、高速度、低摩擦的方向發展，近年來出現的氣墊式膠帶輸送機就是其中的一個。

1通用固定帶式輸送機功率計算

對新裝帶式輸送機,或對原有帶式輸送機的加長或減短，往往需要重新計算校驗它的實際消耗功率與所選電機是否匹配。正常情況下輸送機是空載啟動，但在緊急事故(或系統突然失電)非正常停機情況下，其上會有物料，再次啟動時即可能為滿載啟動，停機過程的動態效應有可能大于啟動過程，因此應高度引起注意，啟動過程參數的確定應以滿載啟動為準。煤炭行業標準MT 820—2006中3.18.1.3規定，整機全長實測滿載功率不大于額定值的105 %。

工作負荷和工作環境是正確選擇帶式輸送機電機功率的主要依據，模擬摩擦阻力系數的選取和效率計算是最主要的2個因素。輸送機功率選擇的步驟是首先根據托輥、膠帶和物料等運動部件所能產生的各種阻力，合理選擇帶式輸送機運行所需要的軸功率，然后結合機械傳動效率，計算驅動電機的軸功率，據此選擇與其額定功率匹配的電機。效率系數選擇不當,則使帶式輸送機功率計算結果與實際所需功率相差較大,將會造成設備配置上的不合理、能源的浪費和增加不必要的設備投資。隨著設計手段的不斷發展和技術的不斷進步,這個問題的存在與經濟發展密切相關,值得認真地分析研究。

帶式輸送機通常由原動機、傳動裝置和工作裝置3部分組成。傳動裝置用來傳遞原動機的運動和動力、變換其運動形式以滿足工作裝置的需要，是帶式輸送機的重要組成部分。傳動裝置的傳動方案是否合理將直接影響帶式輸送機的工作性能、重量和成本。滿足工作裝置的需要是擬定傳動方案的基本要求，同一種運動可以有幾種不同的傳動方案來實現，這就需要把幾種傳動方案的優缺點加以分析比較，從而選擇出最符合實際情況的一種方案。合理的傳動方案除了滿足工作裝置的功能外，還要求結構簡單、制造方便、成本低廉、傳動效率高和使用維護方便。所以擬定一個合理的傳動方案，除了應綜合考慮工作裝置的載荷、運動及機器的其他要求外，還應熟悉各種傳動機構的特點，以便選擇一個合適的傳動機構。眾所周知，帶式輸送機的傳動裝置大多由電動機、聯軸器、減速器、聯軸器、滾筒五部分組成，而減速器又由軸、軸承、齒輪、箱體四部分組成。

電動滾筒是一種將電機和減速器共同置于滾筒體內部的新型驅動裝置。它主要應用于固定式和移動式帶式輸送機、替代傳統的電動機，減速器在驅動滾筒之外的分離式驅動裝置。

盡管與一般減速機構相比，具有結構緊湊、重量輕、密封性好、安裝方便等優點，但它的傳動工作原理仍源于如下傳動簡圖(圖1)。

圖1　帶式輸送機傳動工作原理

圖1中減速箱由軸、軸承、齒輪、箱體四部分組成。對輸入軸Ⅰ有軸承端蓋兩個，調整環一個，軸承一對，齒輪一個，聯軸器一個等基本零件。 對中間軸Ⅱ有軸承端蓋兩個，軸承一對，套筒兩個，齒輪兩個等基本零件。輸出軸Ш與輸入軸類似。

1.1輸送機受力

帶式輸送機運轉時，以傳動滾筒與輸送帶間的摩擦力傳遞能量，保證輸送機平穩可靠運行，其傳動示意見圖2。

圖2　下運帶式輸送機傳動示意

一般的，傳動滾筒上所需圓周驅動力FU為所有阻力之和[1]，即：

FU=CFH+FS1+FS2+FST=FH+FN+FS1+FS2+FST

(1)

式中:FH為主要阻力(N)；FN為附加阻力(N)；FS1為特種主要阻力，托輥前傾摩擦阻力和導料槽摩擦阻力(N)；FS2為特種附加阻力，清掃器、卸料器和翻轉回程前輸送帶阻力(N)；FST為傾斜阻力(N)， FST=qGHg

五種阻力中， FH、 FN是所有輸送機都有的，其他三類阻力，根據輸送機側型及附件裝設情況定，由設計者選擇。

其中:FH= fLg[qRO+ qRU+ (2qB+ qG) cosδ ]

(2)

FST=qGHg=qGLsinδ

(3)

式中：f為模擬摩擦系數；L為輸送機長度；g為重力加速度；qRO為承載分支托輥組每米長度旋轉部分重量；qRU為回程分支托輥組每米長度旋轉部分重量。

δ為輸送機的傾角；其中sinδ項的符號:對于上運輸送機，傾斜向上時取正號；對于下運輸送機，傾斜阻力和物料的輸送方向一致，和其它阻力方向相反，傾斜向下時取負號。當δ較大時，且傾斜向下達到一定程度后，下滑力就會大于運行阻力，輸送處于發電狀態，極易出現“滾料”和“飛車”現象。

1.1.1傳動滾筒圓周力的簡易計算法計算

帶式輸送機功率計算主要有簡易計算法和逐點計算法兩種[2-3], 兩種方法各有優缺點,簡易計算法對于短距離輸送機的計算不是十分準確,因為附加阻力包括：物料在裝卸段被加速的慣性阻力和摩擦阻力；物料在裝載段的導料擋板側壁的摩擦阻力；除驅動滾筒以外的滾筒軸承阻力；輸送帶在滾筒上繞行的彎曲阻力。對于長距離的帶式輸送機(機長大于 80 m) ，附加阻力明顯小于主要阻力，這時為簡化運行阻力的計算，出現了附加阻力系數 “C” 。

即CFH= FH+FN。 因此由于簡易計算法忽略了各種附加阻力, 方法簡單 , 易于計算;雖然逐點法對于輸送機的各種計算都是比較準確的,但它相對來說計算量大,運算繁瑣。

(4)

p(kg)為傳動滾筒圓周力;CN為綜合系數;f為運行阻力系數;qt為每1 m托輥轉動部分重量(kg/m);qO為每米輸送帶重(kg/m);q為每米物料重(kg/m);L為輸送長度(m);β為輸送傾角;Q為輸送量(t/h);V為帶速(m/s)

其中:

f的取值與制造安裝情況、運行工況和工作條件相關聯，一般在0.012～0.03之間,通常取0.020作為運行輸送帶的基本數據進行計算。

當L為80～5 000 m的范圍時， 附加阻力系數 “C” 值對應的選取為1.92～1.03。

可見對于短帶式輸送機,由于其附加阻力占比大,尤其當L小于80 m時，FN≥FH，更不能采用簡化計算方法,否則只會使計算變得比長帶式輸送機更加復雜。

1.1.2機械傳動效率分析

在帶式輸送機的設計計算中,傳動鏈總效率應包括電動機軸和傳動滾筒軸之間全部傳動環節的效率。效率的計算及其相關系數的選取又與帶式輸送機的驅動方式密切相關。帶式輸送機的驅動部分主要由電動機、減速機構和傳動滾筒等組成。

機器通常由原動機、傳動裝置和工作裝置三部分組成。合理的傳動方案除了滿足工作裝置的功能外，還要求結構簡單、制造方便、成本低廉、傳動效率高和使用維護方便。

在帶式輸送機的驅動功率計算中,效率的系數選取是否合適,直接影響到其計算結果是否符合實際。機械效率是有用功與總功比值的百分比，即η=(Wu)/(Wz)%；可以由有用功率Wu與總功率Wz之比算出。由于摩擦力的存在，所有機械的機械效率都小于1。機械傳動效率就是輸出功率除以輸入功率,都小于1, 1減去機械效率就是機械功率的損耗,機械傳動發熱就是由于功率損耗產生的。

由電動機至工作機(主動端)之間傳動裝置的總效率[4]：

(5)

式中： η1、η2、η3、η4分別是齒輪傳動、卷筒、軸承、聯軸器的效率。

1.2各軸的功率

電動機軸輸出功率Pr

軸1的輸入功率：P1=Pr·η4

軸2的輸入功率：P2=P1·η1·η3

軸3的輸入功率：P3=P2·η1·η3

卷筒軸的輸入功率：Pk=P3·η3·η4

輸送帶卷筒(工作機主動端)的輸入功率：Pk·η3·η2

1.3電動機容量

1.3.1電動機容量計算方法一

(1)傳動滾筒(工作機主動端)工作所需功率[4]：

(6)

式中:F為輸送帶拉力(N)，V為輸送帶速度(m/s)， ηW為工作機(輸送帶)的效率。

(2)電動機的功率：

式中:η為電動機至工作機(主動端)之間的總傳動效率。

所以

Pd= F ×V/ (1000η·ηW)kW

(7)

(3)由于電動機一般為長期連續運轉，因此確定電動機功率的原則是電動機的額定功率Pw≥Pd，這樣電動機在工作時就不會發熱。根據Pd選取電動機的額定功率Pw使 Pw=(1～1.3) Pd。

1.3.2電動機容量計算方法二[3]

(1)傳動滾筒軸功率的計算

NO=P*V/102kW

式中:P為輸送帶拉力(kg)，V為輸送帶速度(m/s)，

1kgm=9.8Nm, 1Nm=0.102kgm。

(2) 電機功率的確定

(8)

式中:η為總傳動效率。

在以上兩種電機功率計算方法中，方法一中的式(7)與方法二中的式(8)根本差別在于式(7)中涉及到了工作機(輸送帶)本身的效率ηW。

1.3.3輸送帶效率因素分析

輸送機工作的主要部件就是輸送帶，輸送帶的效率直接影響到輸送機生產工作的效率。影響輸送帶工作效率的因素很多，從主、客觀兩方面來分析，主要概括為如下4個方面：

(1)推廣應用新技術、新材料、新工藝；合理選用優質產品,充分了解輸送帶性能。

(2)加強業務培訓，提高專業技能；正確掌握使用方法，嚴格遵守輸送帶安全操作規程。

(3)協調安全與生產的關系；避免盲目追求生產率，避開輸送帶的疲憊期。

(4)正確使用，加強保養；出現故障及時處理，保證輸送帶正常運轉。

綜上所述，安全的操作和正確的保養是影響輸送帶效率因素的關鍵所在。可見輸送帶效率ηW在功率計算式中的重要性。

1.4帶式輸送機空載功率

皮帶輸送機安裝后，需要進行空轉試機。在空轉試機中，要注意輸送帶運行中有無跑偏現象、驅動部分的運轉溫度、托輥運轉中的活動情況、清掃裝置和導料板與輸送帶表面的接觸嚴密程度等，同時要進行必要的調整，各部件都正常后才可以進行帶負載運轉試機。因此帶式輸送機空載功率是鑒定制造、安裝質量的重要指標。帶式輸送機空載功率理論計算值在某種程度上可以反映整機的性能，直接關系到測量結果的判定。

2通用固定帶式輸送機時序控制

在采用直線傳送的單皮帶輸送機無法滿足輸送路程遠，路徑變化大時，為方便系統的靈活組合,故采用多條皮帶輸送機系統[5]。每條帶式輸送機都是1臺單獨的電氣設備，對于整個系統的連續運行，則需要協調好各條帶式輸送機之間運行的先后順序。以兩條連續運行的帶式輸送機為例，如圖3所示。工作過程的時序控制，一般要求滿足3個條件：

(1)順序啟動。為避免貨物在帶上堆積，即先啟動1號，再緊接著啟動2號；

(2)逆序停止。為保證停車后帶上不殘存貨物，即先停車2號，緊接著停車1號；

(3)緊急停車。為避免繼續進料，當1號出現故障停車時，2號能隨即停車。

兩條帶式輸送機構成的系統示意見圖3。電動機M1、M2分別拖動1號、2號傳送帶。

圖3　兩條帶式輸送機連續運行系統示意

2.1兩臺電動機按順序啟動逆序停止的電路

多機拖動使電氣控制線路進一步復雜化，多機拖動系統中按各電動機所起的作用又組合一個有機體，存在著千絲萬縷的關系。如何統籌合理地控制這些電動機,保證操作過程的合理性、工作的安全可靠和符合加工工藝要求,以兩臺電動機按順序啟動逆序停止電路圖為例，來探究分析電動機順序控制方案[6]，盡管由于可編程序控制器(PLC)的出現，它拋棄了傳統的計算機編程語言和表達形式，以計算機軟件技術構成人們習慣的繼電器模型，進而得到以繼電器電路梯形圖為基礎的形象匯編語言和模塊化軟件[7]。

兩皮帶物料輸送系統有驅動電動機2臺(M1和M2)，其控制主回路分別由交流接觸器KM1、KM2組成。

2.2兩條帶式輸送機順序啟動逆序停止控制電路

兩條帶式輸送機按順序啟動逆序停止控制電路見圖4(實線部分)。

圖4　兩條電動機按順序啟動、逆序停止控制電路

按下SB2起動按鈕,接觸器KM1得電吸合并自鎖，其主觸點閉合，第一臺電動機M1啟動運轉。由于KM1的常開輔助觸點作為KM2得電的先決條件串聯在KM2線圈電路，所以只有在M1啟動后M2才能啟動，實現了按順序啟動。

需要停車時，如果先按下第一臺電動機M1的停止按鈕SB1，由于在SB1停止按鈕兩端并聯一個接觸器KM2的常開輔助觸點作為KM1失電的先決條件，所以M1不能停止運轉，只有只有先使接觸器KM2線圈失電，在按下第二臺電動機M2的停止按鈕SB3后，接觸器KM2失電釋放，M2停止運轉，同時KM2常開輔助觸頭斷開，然后才能按下SB1，達到斷開接觸器KM1線圈電源的目的，使第一臺電動機M1才能停止運轉，實現按逆序依次停止。

這種順序控制線路的特點是：使兩臺電動機依次順序起動，而逆序停止。

眾所周知,傳統的兩條帶式輸送機控制電路共使用了4個按鈕來進行控制。常用的按鈕絕大多數是既有常開觸點又有常閉觸點的。如果將按鈕的常閉觸點和常開觸點都盡量利用起來，把圖3中按鈕SB3的常閉觸點用按鈕SB2的常閉觸點進行取代，也就是SB2與SB3合用一個按鈕，實線圖添加虛線后成為優化圖，這樣可節省按鈕一個，同時仍能滿足原設計要求。其關鍵是利用了按鈕按下時常閉觸點先分斷、常開觸點后閉合的特點。

若對3條帶式運輸機的控制電路進行類似優化，可比原電路圖中的6個按鈕節省3個，優化后的控制電路仍然滿足3個控制要求，更具有較強的經濟實用性。

2.3兩條帶式輸送機順序啟動、逆序停止延時控制電路圖

兩條帶式輸送機順序啟動、逆序停止延時控制電路見圖5。

圖5　兩條帶式輸送機順序啟動、逆序停止延時控制電路

按下SB2起動按鈕，接觸器KM1得電吸合并自鎖，其主觸點閉合，第一臺電動機M1起動運轉，同時KT1上電，由于KT1的延時閉合觸點作為KM2得電的先決條件串聯在KM2線圈電路，因此只有在M1啟動后并經延時第二臺電動機M2才能相繼啟動運轉，實現了按順序啟動。

按下SB3停止按鈕，第二臺電動機M2停止運行，經KT2延時后，第一臺電動機M1停止運行，實現按逆序依次停止。

當出現故障時，只需按下SB1緊急停止按鈕，兩臺電動機均立即停止運行。

3結論

帶式輸送機是連續輸送機中使用最廣泛、結構最典型的一種型式。帶式輸送機的需用功率是一個十分重要的參數，在設計帶式輸送機和選型時，必須準確知道系統所需功率，才能做到既不浪費能量又能滿足工作要求。目前確定帶式輸送機的電機功率計算有若干方法，文中采用功率的簡易計算方法，是由于簡易計算公式的參數都是客觀數據，省卻了許多查參數的麻煩，能有效地避免人為因素的影響。電動滾筒作為一種新型驅動裝置，與一般減速機構相比，具有結構緊湊、傳動效率高、耗能少、噪聲低、使用壽命長、運行平穩、工作可靠、密封性好、占據空間小、安裝維護方便等優點，已廣泛應用于各個生產領域。

電氣原理圖是指為了表達生產機械電氣控制系統的組成及工作原理，對機電控制設備故障的分析、判斷過程中，必須具有較強的識圖本領，傳統的繼電接觸器控制系統是通過各種硬件繼電器之間接線來實施，控制功能相對固定，當要修改控制功能時，必修重新接線。繼電接觸器控制電路工作時，電路中硬件繼電器以并行的工作方式總是處于受控狀態。因此對于電氣原理圖的分析應重點放在設計思路、分析順序、所用方法上，從而掌握關鍵。比如，在圖4中KM1的常開輔助觸點是實現順序起動控制的關鍵，而KM2的常開輔助觸點是實現逆序停止控制的關鍵。可編程控制器(PLC)是一種以微處理器為核心的工業控制裝置。它將傳統的繼電接觸器控制系統與計算機技術結合在一起，具有高可靠性、靈活通用、易于編程、使用方便等特點，因此近年來在工業自動控制、機電一體化、改造傳統產業等方面得到普遍應用[8]。PLC控制電路由軟件編程以串行的工作方式來實施，可以靈活變化和在線修改。

參考文獻

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[作者簡介]王純高(1959～)，男，本科，教授級高級工程師，一級注冊建造師，研究方向為電力拖動與控制。

【中圖分類號】TH222； TD528； TM306

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-04-05